Neue Fertigungsverfahren für Dichtungen im Bereich Wasserstoff und Elektrolyseure

Gibt es neue Fertigungsverfahren für Dichtungen im Bereich Wasserstoff und Elektrolyseure, Herr Mähne?

Artur Mähne ist Global Segment Manager, Hydrogen Technologies, bei Freudenberg Sealing Technologies. Er berichtet: „Ja – und zwar entlang der gesamten H2-Wertschöpfungskette. Wir haben in den letzten Jahren mehrere seriennahe Fertigungs-Prozessketten für Elektrolyseur-Stacks, Peripherie und die H2-Infrastruktur industrialisiert. Dabei haben wir unsere Fertigungs- und Prüfverfahren gezielt auf Skalierbarkeit, Medienreinheit, niedrige Permeation und Hochdruck-Tauglichkeit ausgelegt. Im Kern geht es um moderne Extrusionslinien, präzises Spritzgießen/Overmolding auf Träger sowie Großformat-Presskapazitäten – jeweils abgesichert durch unsere Material- und Prozesskompetenz. Sämtliche Rezepturen, Materialeigenschaften, das Bindungsverhalten und die Reinheitsbewertung der Dichtungslösungen werden bei uns gestützt durch die Finite-Elemente-Methode (FEA) entwickelt und analysiert. Gerne gehe ich tiefer ins Detail und stelle Ihnen unsere Fertigungsverfahren in drei Abschnitten vor.

Ich beginne mit einem Verfahren zum Spritzgießen (Injection Molding) und zum „Aufspritzen“ von Dichtungen auf Träger (Overmolding für Bipolarplatten sowie Metall- oder Thermoplast-Rahmen.

Bei Freudenberg Sealing Technologies beherrschen wir das direkte Anspritzen der Dichtung auf metallische Bipolarplatten, metallische Rahmen oder thermoplastische Träger. Hierbei ist eine definierte Haftung hinsichtlich Adhäsion und Haftvermittler, eine kontrollierte Nutfüllung sowie die geometrische Aktivierung der Dichtung entscheidend.

Für PEM-Stacks haben wir ein hochdrucktaugliches Dichtungsdesign entwickelt, das bereits serienerprobt ist. Hierbei handelt es sich um eine Nutklemmung mit Halte-Eigenschaften: einen L-förmigen Querschnitt, der unter Betriebsdruck in eine C-Barriere „aktiviert“. Dieses Design ist in der Regel spritzgießbasiert und demonstriert, wie Geometrie, Bindung und Prozess zusammenspielen. Der Nutzen für die H2-/Elektrolyse liegt in einer geringeren Bauteilzahl, einem gesteigerten Automatisierungsgrad, einer besseren Reproduzierbarkeit der Kompressionslage sowie einer niedrigen Leckage- beziehungsweise Permeation.

Großformat-Pressen für das Fertigen von XXL Gaskets und Groß-O-Ringen in allen Werkstoffklassen

Für große Zellformate mit einem Durchmesser von 0,3–2 m und Peripherie-Applikationen setzen wir starke Großpressen zum Herstellen großformatiger Rahmen und Flachdichtungen sowie Groß O-Ringen ein – passend zur aktuellen Skalierung von Elektrolyseuren in Richtung MW/GW-Fabriken. Dabei fertigen wir je nach Medienfenster und Schraubenlast EPDM- und FKM-Elastomer Formteile. Hier ermöglicht unsere Presskapazität die Serienfertigung in großen Stückzahlen. Der Nutzen für die H2-Elektrolyse liegt darin, dass wir die skalierbare Flächenabdichtung großer Zellen und Deckel sowie eine robuste Toleranzaufnahme anbieten, die kompatibel mit Serien-Stacking und Gigafactory-Taktzeiten sind.

Extrusion inklusive einer LCM-Linie (Liquid Curing Method) für die Fertigung von Profil- und Rahmendichtungen

Unsere Profil-Extrusionstechnologie für Wasserstoff-Anwendungen haben wir gezielt ausgebaut. Beispielsweise haben wir eine neue Extrusionslinie auf Basis kontinuierlicher Produktionstechnologie für filigrane Querschnitte geschaffen. In einem Salzbad (molten salt) können wir eine Vulkanisation mit optimiertem Wärmeübergang unter Ausschluss von Luft durchführen. Hierdurch konnten wir die Auswahl an Werkstoffen und Vernetzungssystemen für große Dichtungen in Anwendungen im Wasserstoffumfeld speziell mit dem Fokus auf Beständigkeit und Langzeit verbreitern. Gleichzeitig ist es uns gelungen, Fertigungstoleranzen aufgrund einer optimalen Prozesskontrolle deutlich zu reduzieren. Dieser Technologiebaukasten lässt sich in LCM-Setups (Liquid Curing Method) mit unterschiedlichen Extrudern adaptieren, sodass wir nun endlose Stack-Profile mit enger Toleranz, geringer Kriechneigung und hoher Chemikalienbeständigkeit herstellen können. So entstehen für die alkalische Elektrolyse (AEL) extrudierte Profile für Dichtungen im Durchmesserbereich bis 2 m und weit darüber hinaus. Der fundamentale Nutzen dieser Fertigungsverfahren für die H2-Elektrolyse liegt darin, dass wir nun große Dichtungen mit geringen Toleranzschwankungen und hoher Präzision in optimierten, maßgeschneiderten Hochleistungswerkstoffen fertigen können. Das ist wichtig für eine Stack-Lebensdauer von mehreren zehntausend Stunden.

Um es abschließend auf den Punkt zu bringen: Ja, es gibt neue Fertigungswege – und wir setzen auf vertikale Integration und Skalierung: Wir investieren in Standardisierung und globale Produktionskapazitäten an unseren Standorten in Europa, China und den USA. Das tun wir mit dem Ziel, H2-Dichtungen in großen Volumina zuverlässig, nachhaltig und lokal für lokal bereitzustellen. Unsere Material und Prozesskompetenz macht die beschriebenen Konzepte und Verfahren serienfest – von AEL/AEM bis PEM, von Stack bis zur H2-Infrastruktur. Das zahlt direkt auf die Sicherheit, Lebensdauer und Skalierbarkeit der Elektrolyseure ein. Bei uns zeigt sich täglich aufs Neue: Material- und Prozesskompetenz sind die „zweite Hälfte“ jeder Innovation.“

Die Branche der erneuerbaren Energien lebt von wegweisenden technischen Innovationen und die Wasserstoff-Wertschöpfungskette ist – wie in der Einleitung skizziert – in der Umsetzungsrealität angekommen. Auch wenn der Markthochlauf aktuell die Prognosen aus den 2020er Jahren nicht ganz erreicht, wachsen national und international die Nachfrage und der Infrastrukturausbau. Auch der weltweite Zuwachs in den Bereichen Solar- und Windenergie wirkt sich positiv auf ein Anziehen des Wasserstoff-Marktes aus.

Insbesondere im Energiesektor treibt experimentelle Neugierde die Entwicklung zukunftweisender Lösungen voran. Dieser Erfindergeist führt auch zu einer stetigen Weiterentwicklung von Werkstoffen, Fertigungsverfahren und Dichtungslösungen bei Freudenberg Sealing Technologies. Denn eins ist klar: Dichtungen sind die entscheidenden Funktionsgaranten für die Effizienz, Sicherheit und kalkulier-baren Lebenszykluskosten in Wasserstoff-Systemen. Sie sind die Technologie-Treiber, mit denen die angestrebten Kosten und Skaleneffekte realisiert werden können.

Dieses Whitepaper unterstützt Sie dabei, im Bereich der Dichtungen für die Wasserstoff-Prozesskette auf dem neuesten Stand zu bleiben. Gleichzeitig geben wir Ihnen wichtige Impulse, wie Sie mit innovativen Technologien Ihren Kurs in Richtung Klimaneutralität setzen können. Gerne möchten wir dieses Whitepaper gemeinsam mit Ihnen weiterentwickeln und freuen uns auf Ihr Feedback.

Marcel Schreiner

Global Segment Director Energy und Projektleiter H2 bei Freudenberg Sealing Technologies

Marcel.Schreiner@fst.com

Artur Mähne

Global Segment Manager, Hydrogen Technologies bei Freudenberg Sealing Technologies

Artur.Maehne@fst.com